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OTDR,高效的光纤检测工具

2014-05-23 09:06:22

[导读] 光缆作为当前通信网络主干的主要载体,有着传输距离远、容量大、质量高等优点。随着光通讯设备生产成本的逐年降低,基于光纤的以太网技术正在向通信网络传统的“最后一公里”渗透。近年,随着10G的EPON标准的确定,以及正在席卷中华大地的三网合一进程,光纤正在取代传统的双绞线,成为家庭乃至企业接入英特网络的通道。如何在生产、施工、使用、维护中检测

   光缆作为当前通信网络主干的主要载体,有着传输距离远、容量大、质量高等优点。随着光通讯设备生产成本的逐年降低,基于光纤的以太网技术正在向通信网络传统的“最后一公里”渗透。近年,随着10G的EPON标准的确定,以及正在席卷中华大地的三网合一进程,光纤正在取代传统的双绞线,成为家庭乃至企业接入英特网络的通道。如何在生产、施工、使用、维护中检测

  光缆作为当前通信网络主干的主要载体,有着传输距离远、容量大、质量高等优点。随着光通讯设备生产成本的逐年降低,基于光纤的以太网技术正在向通信网络传统的“最后一公里”渗透。近年,随着10G的EPON标准的确定,以及正在席卷中华大地的三网合一进程,光纤正在取代传统的双绞线,成为家庭乃至企业接入英特网络的通道。如何在生产、施工、使用、维护中检测光纤通路是光纤应用领域中最广泛、最基本的一项专门技术。

  从目前的光纤链路的测试来看,主要分为OLTS和OTDR两种测试,OLTS即Optical Loss Test Set的缩写,意即传统的标准光源与光功率计(光表)相结合,测量光链路损耗的测试方法,OLTS的测试设备价格低廉、使用简便,能快速评估光链路成效,但不能描述光链路故障点和故障原因。而OTDR则是光纤测试技术领域中另外一个重要的仪表,它可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量,具有测试时间短、速度快、精度高等优点。

  什么是OTD OTDR是Optical Time Domain Reflectometer的缩写,中文全名为“光时域反射仪”。

  光在光纤中传播时会发生瑞利散射(Rayleigh backscattering)以及菲涅尔反射(Fresnel reflection),OTDR就是利用了光这一特点,采集光脉冲的在通路中的背向散射及反射而制成的高科技、高精密的光电一体化仪表。这种测量方法由M. Barnoskim 和 M. Jensen 在1976发明的。

  瑞利散射是由英国物理学家瑞利的名字命名的。它是半径比光的波长小很多的微粒对入射光的散射。瑞利散射光的強度和入射光波长λ的4次方成反比:

  

 

  其中

是入射光的光強分布函数,也就是说,波长较短的蓝光比波长较长的红光更易散射,这就可以解释天空为什么是蓝色的——白天,当日光经过大气层时,与空气分子(其半径远小于可见光的波长)发生瑞利散射,因为蓝光比红光波长短,瑞利散射发生的比较激烈,被散射的蓝光布满了整个天空,从而使天空呈现蓝色,但是太阳本身及其附近呈现白色或黄色,是因为此时你看到更多的是直射光而不是散射光,所以日光的颜色(白色)基本未改变——波长较长的红黄色光与蓝绿色光(少量被散射了)的混合。当日落或日出时,太阳几乎在我们视线的正前方,此时太阳光在大气中要走相对很长的路程,你所看到的直射光中的蓝光大量都被散射了,只剩下红橙色的光,这就是为什么日落时太阳附近呈现红色,而天空的其它地方由于光线很弱,只能说是非常昏暗的蓝黑色。如果是在月球上,因为没有大气层,光未产生瑞利散射,这时候天空即使在白天也是黑的。

 

  瑞利散射无时无刻不在我们身边发生,比如夜间我们打开手电,我们所看到的“光柱”就是因为瑞利散射而形成的。同样,在光纤中注入的光也会在光纤中形成这么一道“光柱”从而被放置在光脉冲入射端的OTDR所“看到”。

  菲涅耳(1788~1827)是法国土木工程兼物理学家。他是光波动说的的创始人之一,被人们称为“物理光学的缔造者”。在只有39岁的短暂一生中,菲涅耳对经典光学的波动理论作出了卓越的贡献,其中之一就是著名的“菲涅耳公式”,即电磁波通过不同介质的分界面时会发生反射和折射,菲涅耳以光是横波的设想为基础,把入射光分为振动平面平行于入射面的线偏振光和垂直于入射面的线偏振光,并导出了光的折射比、反射比之间关系的菲涅耳公式。由菲涅耳公式可以求出一定入射角下反射和透射的振幅、强度等。可以很好地解释光的反射与折射的起偏问题及半波损失问题等。菲涅耳公式是光学和电磁理论的一个重要基本公式。

  同样菲涅耳反射也时刻发生在我们身边。正如我们能清楚地看到玻璃的裂缝一样,OTDR也能“看到”光纤通路里的各种缝隙。与瑞利散射遍布整段光纤,是一个连续的反射不同,菲涅尔反射是离散的反射,它由光纤的个别点产生,能够产生反射的点大体包括光纤连接器(玻璃与空气的间隙)、阻断光纤的平滑镜截面、光纤的终点等。

  OTDR的工作原理就类似于一个雷达。它先对光纤发出一个信号,然后观察从某一点上返回来的是什么信息。这个过程会重复地进行,然后将这些结果进行平均并以轨迹的形式来显示,这个轨迹就描绘了在整段光纤内信号的强弱(或光纤的状态)。OTDR是通过发送及接收到的反射信号的之间的时间长短来确定事件距离的,即测量反射光在不同时间的特性,把它看成是一个时间的函数f(t)来测量,这种测量就称为时域测量,这也就是OTDR名称的由来。

  下面是OTDR设备的一个结构简图

  

 

  支持OTDR技术的两个基本公式

  OTDR在半导体光源(LED或LD)在驱动电路调制下输出光脉冲,经过定向光耦合器和活动连接器注入被测光缆线路成为入射光脉冲。入射光脉冲在线路中传输时在沿途产生瑞利散射光和菲涅尔反射光,大部分瑞利散射光将折射入包层后衰减,其中与光脉冲传播方向相反的背向瑞利散射光将会沿着光纤传输到线路的进光端口,经定向耦合分路射向光电探测器,转变成电信号,经过低噪声放大和数字平均化处理,最后将处理过的电信号与从光源背面发射提取的触发信号同步扫描在示波器上成为反射光脉冲。返回的有用信息由OTDR的探测器来测量,它们就作为被测光纤内不同位置上的时间或曲线片断。根据发射信号到返回信号所用的时间,再确定光在石英物质中的速度,就可以计算出距离(光纤长度)L(单位:m),如下式所示。

  

 

  式中,n为平均折射率,△t为传输时延。利用入射光脉冲和反射光脉冲对应的功率电平以及被测光纤的长度就可以计算出衰减α(单位:dB/km),如下式所示:

  

 

  OTDR仪中的几个参数

  测试距离、脉冲宽度、折射率、测试光波长、平均化时间、动态范围、死区、“鬼影”

  一、 测试距离选择

  由于光纤制造以后其折射率基本不变,这样光在光纤中的传播速度就不变,这样测试距离和时间就是一致的,实际上测试距离就是光在光纤中的传播速度乘上传播时间,对测试距离的选取就是对测试采样起始和终止时间的选取。测量时选取适当的测试距离可以生成比较全面的轨迹图,对有效的分析光纤的特性有很好的帮助,通常根据经验,选取整条光路长度的1.5-2倍之间最为合适。选择过大时,光时域反射仪的显示屏上横坐标压缩看不清楚。根据实际经验,测试量程选择能使背向散射曲线大约占到OTDR显示屏的70%时,不管是长度测试还是损耗测试都能得到比较好的直视效果和准确的测试结果。在光纤通信系统测试中,链路长度在几百到几千千米,中继段长度40~60 km,单盘光缆长度2~4km,合选择OTDR的量程可以得到良好的测试效果。

  二、 测试脉冲宽度选择

  可以用时间表示,也可以用长度表示,很明显,在光功率大小恒定的情况下,脉冲宽度的大小直接影响着光的能量的大小,光脉冲越长光的能量就越大。同时脉冲宽度的大小也直接影响着测试死区的大小,也就决定了两个可辨别事件之间的最短距离,即分辨率。显然,脉冲宽度越小,分辨率越高,脉冲宽度越大分辨率越低。如图所示:

  

 

  t1=t0+τ。在此段时间内,将有菲涅尔反射和瑞利散射同时返回OTDR,由于菲涅尔反射的光功率远远的大于瑞利散射的光功率,瑞利散射就会淹没在菲涅尔反射中,在形成的轨迹图中就看不到瑞利散射,只看到菲涅尔反射,形成一个死区。死区的大小直接与脉冲宽度τ有关。

  设置的光脉冲宽度过大会产生较强的菲涅尔反射,会使盲区加大。较窄的测试光脉冲虽然有较小的盲区,但是测试光脉冲过窄时光功率肯定过弱,相应的背向散射信号也弱,背向散射信号曲线会起伏不平,测试误差大。设置的光脉冲宽度既要能保证没有过强的盲区效应,又要能保证背向散射信号曲线有足够的分辨率,能看清光纤沿线上每一点的情况。一般是根据被测光纤长度,先选择一个适当的测试脉宽,预测试一两次后,从中确定一个最佳值。被测光纤的距离较短(小于5000m)时,盲区可以在10 m以下;被测光纤的距离较长(小于50000 m)时,盲区可以在200 m以下;被测光纤的距离很长(小于2500000 m)时,盲区可高达2000 m以上。在单盘测试时,恰当选择光脉冲宽度(50 nm)可以使盲区在10 m以下。通过双向测试或多次测试取平均值,盲区产生的影响会更小。

  三、 光纤折射率选择

  折射率就是待测光纤实际的折射率,这个数值由待测光纤的生产厂家给出,单模石英光纤的折射率大约在1.4-1.6之间,现在使用的单模光纤的折射率基本在1.4600~1.4800范围内,要根据光缆或光纤生产厂家提供的实际值来精确选择。对于G.652单模光纤,在实际测试时若用1310 nm波长,折射率一般选择在1.4680;若用1550 nm波长,折射率一般选择在1.4685。折射率选择不准,影响测试长度。折射率若误差0.001,则在50000 m的中继段会产生约35 m的误差。在光缆维护和故障排查时很小的失误便会带来明显的误差,测试时一定要引起足够的重视。

  四、 测试波长选择

  测试光波长的就是指OTDR激光器发射的激光的波长,波长越短,瑞利散射的光功率就越强,在OTDR 的接收段产生的轨迹图就越高,所以1310的脉冲产生的瑞利散射的轨迹图样就要比1550nm产生的图样要高。但是在长距离测试时,由于1310nm衰耗较大,激光器发出的激光脉冲在待测光纤的末端会变得很微弱,这样受噪声影响较大,形成的轨迹图就不理想,宜采用1550nm作为测试波长。在高波长区(1500nm以上),瑞利散射会持续减少,但是一个红外线衰减(或吸收)就会产生,因此1550nm就是一个衰减最低的波长,因此适合长距离通信。所以在长距离测试的时候适合选取1550nm作为测试波长,而普通的短距离测试选取1310nm为宜,视具体情况而定。但由于1550 nm波长对光纤弯曲损耗的影响比1310 nm波长敏感得多,因此不管是光缆线路施工还是光缆线路维护或者进行实验、教学,使用OTDR对某条光缆或某光纤传输链路进行全程光纤背向散射信号曲线测试,一般多选用1550 nm波长。1310nm和1550 nm两波长的测试曲线的形状是一样的,测得的光纤接头损耗值也基本一致。若在1550 nm波长测试没有发现问题,那么1310 nm波长测试也肯定没问题。选择1550 nm波长测试,可以很容易发现光纤全程是否存在弯曲过度的情况。若发现曲线上某处有较大的损耗台阶,再用1310 nm波长复测,若在1310 nm波长下损耗台阶消失,说明该处的确存在弯曲过度情况,需要进一步查找并排除。若在1310 nm波长下损耗台阶同样大,则在该处光纤可能还存在其他问题,还需要查找排除。在单模光纤线路测试中,应尽量选用1 550 nm波长,这样测试效果会更好。

  五、 平均化时间选择

  由于测试中受噪声的影响,光纤中某一点的瑞利散射功率是一个随机过程。由于背向散射光信号极其微弱,要确知该点的一般情况,一般采用多次统计平均的方法来提高信噪比,以减少接收器固有的随机噪声的影响。OTDR测试曲线是将每次输出脉冲后的反射信号采样,并把多次采样做平均化处理以消除随机事件,平均化时间越长,噪声电平越接近最小值,动态范围就越大。平均化时间为3 min获得的动态范围比平均化时间为1 min获得的动态范围提高0.8 dB。一般来说平均化时间越长,测试精度越高。根据需要设定该值,如果要求实时掌握光纤的情况,那么就需要设定平均值时间为0,而看一条永久光路,则可以用无限时间。为了提高测试速度,缩短整体测试时间,测试时间可在0.5~3 min内选择。在光纤通信接续测试中,选择1.5 min(90 s)就可获得满意的效果。

  六、 动态范围

  它表示后向散射开始与噪声峰值间的功率损耗比。它决定了OTDR所能测得的最长光纤距离。如果OTDR的动态范围较小,而待测光纤具有较高的损耗,则远端可能会消失在噪声中。目前有两种定义动态范围的方法:

  1、 峰值法:它测到噪声的峰值,当散射功率达到噪声峰值即认为不可见。

  2、SNR(信噪比)=1法:这里动态范围测到噪声的rms(平均值)电平为止,对于同样性能的OTDR来讲,其指标高于峰值定义大约2.0db。如图所示:

  

 

  七、 后向散射系数:

  如果连接的两条光纤的后向散射系数不同,就很有可能在OTDR上出现被测光纤是一个增益器的现象,这是由于连接点的后端散射系数大于前端散射系数,导致连接点后端反射回来的光功率反而高于前面反射回的光功率的缘故。这种情况往往发生在不同模场直径的光纤被连接在一起的时候(比如多模50/125的光缆与62.5/125的跳线连接)遇到这种情况,建议大家用双向测试取平均值的办法来对该光纤进行测量。

  八、 死区

  死区的产生是由于反射淹没散射并且使得接收器饱和引起,通常分为衰减死区和事件死区两种情况。

  1、衰减死区:从反射点开始到接收点回复到后向散射电平约0.5db范围内的这段距离。这是OTDR能够再次测试衰减和损耗的点。

  2、事件死区:从OTDR接收到的反射点开始到OTDR恢复的最高反射点1.5db一下的这段距离,这里可以看到是否存在第二个反射点,但是不能测试衰减和损耗。如图所示

  

 

  九、 鬼影

  它是由于光在较短的光纤中,到达光纤末端B产生反射,反射光功率仍然很强,在回程中遇到第一个活动接头A,一部分光重新反射回B,这部分光到达B点以后,在B点再次反射回OTDR,这样在OTDR形成的轨迹图中会发现在噪声区域出现了一个反射现象。如下图所示(红色为一次反射,绿色为二次反射):

  

 

  实施OTDR测试的方法

  OTDR对光缆和光纤进行测试时,测试场合包括光缆和光纤的出厂测试,光缆和光纤光缆的施工测试,光缆和光纤的维护测试以及定期测试。OTDR的测试连接如下图所示。

  

 

  测试连接的方法是:OTDR一盲区光缆一光纤连接器一第1盘光缆一第2盘光缆一第n盘光缆,终端不连接任何设备。

  OTDR轨迹图的意义

  下面介绍一些典型的OTDR测试轨迹图,供大家一起讨论。

  首先给出一个典型的轨迹图

  

 

  说明:

  .前端活动连接器Front Connector:这一个点就是测试链路的起点。

  .连接器对Connector

  .在连接器的交界面会产生的菲涅尔反射,迹线图表现为一个骤然突起的高峰,菲涅尔反射波峰前后的散射曲线铁落就是连接器的插入损耗。这也是考量连接器性能的指标之一。

  .熔接点Fusion Splice:光纤的熔接点缺陷容易造成迹线图中散射曲线的突然跌落。

  .过度弯曲Bend:弯曲直径过小,光就会不再遵循全反射,而是有一部分从光纤被覆层射出,造成迹线图中散射曲线的突然跌落。

  .断裂点Crack:光纤断裂点的波形类似于连接器,但由于断裂处造成缝隙往往远大于连接器,所以菲涅尔反射波峰前后的散射曲线铁落远大于正常的连接器事件,且在之后的信号产生杂讯。不合格的连接器连接也会出现这种迹线图,故要结合链路中器件的实际连接情况及距离加以辨别事件的类型。

  .后向散射Backscatter:迹线的斜率就代表了光纤衰减系数的大小。

  .光纤终点Fiber End:由于在测试时,光纤终端不安装任何设备,此时终结点实质为光纤玻璃与空气的交界面,此时会产生一个较大的菲涅尔反射,之后,光射入空气中。

  .噪音Noise:这是在光纤总结点后,外界的光噪音。

  结束语

  OTDR是光纤通信的主要仪表,在科研、生产、施工、维护等光通信邻域发挥着至关重要的作用。本文所列举的仅是OTDR基础应用,通过对OTDR事件的分析,我们可以方便地判断光纤的长短、连接器件的好坏、光纤的故障点等。随着科技的方展,新一代的OTDR测试仪更具备了波分复用(WDM)测量、PON网分光器测量等新的功能。尽快熟悉并掌握OTDR的测试技能,是面对三网合一这一大趋势必不可少的步骤。

[整理编辑:中国测控网]
标签:光纤[78]  双绞线[2]  通信网络[4]
 
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